本發(fā)明涉及隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)：

在隧道施工過程中，現(xiàn)今大多數(shù)的水平層狀軟硬互層圍巖隧道施工設(shè)計(jì)方案均忽略了巖層中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，也就不能針對(duì)性地采取一種合理的支護(hù)優(yōu)化手段，因此長(zhǎng)期以來水平軟硬互層圍巖隧道的錨桿支護(hù)方面沒能有一個(gè)確定且合理的方案。另一方面，在隧道支護(hù)過程中，現(xiàn)行支護(hù)方法主觀性較大，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)措施完全是憑靠經(jīng)驗(yàn)值，這使得錨桿的加固能力和圍巖的自承能力均未能得到充分發(fā)揮，錨桿與圍巖也未能共同承載由于隧道開挖所造成的應(yīng)力釋放和該過程中所產(chǎn)生的變形導(dǎo)致支護(hù)過剩。

但是，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于水平軟硬互層圍巖隧道施工后，隧道圍巖水平收斂變形較小，拱腰部分與巖層夾角較小的錨桿受力很小，錨桿的作用也未得到充分發(fā)揮，即目前采取的錨桿支護(hù)方式相對(duì)偏保守。現(xiàn)行方案雖然保證了隧道的穩(wěn)定性及加固效果，但是在隧道施工中的錨桿支護(hù)數(shù)量方面造成了很大的浪費(fèi)，從而增加了支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的在隧道施工中錨桿支護(hù)數(shù)量方面造成很大的浪費(fèi)，從而增加了支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)及方法。

本發(fā)明的發(fā)明人針對(duì)背景技術(shù)關(guān)于隧道圍巖水平收斂變形較小，拱腰部分與巖層夾角較小的錨桿受力很小的發(fā)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證，得出現(xiàn)有方案拱腰錨桿受力小的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了本發(fā)明的優(yōu)化方案。具體地，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證的方法包括步驟：

S11、獲得圍巖相關(guān)力學(xué)參數(shù)：采用巖石常規(guī)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，按照《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》將所要模擬的隧道圍巖加工成直徑50mm、長(zhǎng)100mm的圓柱型標(biāo)準(zhǔn)試件，通過單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)獲得圍巖相關(guān)力學(xué)參數(shù)，所述力學(xué)參數(shù)包括彈性模量、泊松比、密度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等。

S12、現(xiàn)有方案數(shù)值模擬過程：

(1)參數(shù)定義：對(duì)圍巖材料屬性中包括彈性模量、泊松比、密度在內(nèi)的線性參數(shù)通過ANSYS軟件中的＂mp＂命令進(jìn)行定義；并選用ANSYS軟件自帶的彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)圍巖非線性分析所需的粘聚力、內(nèi)摩擦角參數(shù)采用＂tb，dp＂命令進(jìn)行定義；前述巖石參數(shù)具體數(shù)值均通過步驟S11試驗(yàn)得到。

(2)模型建立：建立隧道開挖模型，并劃分網(wǎng)格，模型中要包括初襯和二襯，具體可以參照?qǐng)D1所示的隧道支護(hù)示意圖來建立；巖層自上而下為第一砂巖11―第一泥巖12―第二砂巖13―第二泥巖14―第三砂巖15―第三泥巖16，具體請(qǐng)參考圖2所示的隧道模型示意圖。

(3)模擬地應(yīng)力：將水平方向的邊界進(jìn)行約束，使得邊界在水平方向位移為零；對(duì)于豎直方向，底部位移同樣進(jìn)行限制，也為零；頂部是自由面位移不受限制，在頂部施加重力荷載，模擬上覆巖層的自重；同時(shí)，該過程中殺死錨桿及襯砌單元，保證原巖應(yīng)力下錨桿及襯砌無作用。

(4)模擬開挖到初襯：模擬地應(yīng)力后，采用＂ekill＂命令殺死開挖巖體材料單元，進(jìn)而模擬開挖過程，并采用＂ealive＂命令激活錨桿及襯砌材料單元，使其發(fā)揮作用，模擬初期支護(hù)過程。得出：水平軟硬互層圍巖隧道上下臺(tái)階法施工后水平收斂值＝1.944-(-1.954)＝3.90mm，水平收斂值較小，其具體請(qǐng)參考圖3(a)所示；錨桿最小受力值2.6KN，最大受力值97.6KN，數(shù)值變化范圍較大，換算后得出對(duì)應(yīng)錨桿最大應(yīng)力為77.9MPa，其中鋼筋抗拉強(qiáng)度為130MPa，其具體請(qǐng)參考圖3(b)所示。由此可見，部分錨桿受力較小。

在前述對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證的方法基礎(chǔ)上，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括支護(hù)圍巖的錨桿，所述圍巖按隧道開挖斷面的中心線將開挖斷面分為左半斷面和右半斷面，所述左半斷面和右半斷面上都設(shè)有用于支護(hù)水平軟硬互層圍巖的錨桿，所述錨桿垂直于隧道開挖輪廓線布置，且與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿。

進(jìn)一步，優(yōu)選與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿。

本發(fā)明還提供一種水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)方法，包括支護(hù)圍巖的錨桿，所述圍巖按隧道開挖斷面的中心線將開挖斷面分為左半斷面和右半斷面，所述左半斷面和右半斷面上都設(shè)有用于支護(hù)水平軟硬互層圍巖的錨桿，所述錨桿垂直于隧道開挖輪廓線布置，將與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消。

進(jìn)一步，優(yōu)選將與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，將與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消，即在與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿，因而減少了在隧道施工中錨桿的支護(hù)數(shù)量，不僅可以獲得良好的加固效果，而且節(jié)省了錨桿支護(hù)數(shù)量，從而降低了支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本；同時(shí)本發(fā)明本著安全、合理、經(jīng)濟(jì)的原則，對(duì)原設(shè)計(jì)中錨桿支護(hù)方案提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且驗(yàn)證了其合理性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行數(shù)值模擬提供的隧道支護(hù)示意圖。

圖2是本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行數(shù)值模擬過程中建立的隧道模型示意圖。

圖3(a)是本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行驗(yàn)證后得出的隧道施工水平收斂(單位：m)示意圖。

圖3(b)是本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行驗(yàn)證后得出的隧道施工錨桿軸力(單位：N)示意圖。

圖4是本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5本發(fā)明提供的錨桿與水平巖層所成夾角的關(guān)系示意圖。

圖6本發(fā)明提供的各優(yōu)化方案初期支護(hù)受力變化對(duì)比示意圖。

圖7(a)本發(fā)明提供的優(yōu)化方案優(yōu)化后水平收斂(單位：m)示意圖。

圖7(b)本發(fā)明提供的優(yōu)化方案優(yōu)化后錨桿軸力(單位：N)示意圖。

圖8(a)本發(fā)明提供的優(yōu)選方案優(yōu)化后水平收斂(單位：m)示意圖。

圖8(b)本發(fā)明提供的優(yōu)選方案優(yōu)化后錨桿軸力(單位：N)示意圖。

圖中，11、第一砂巖；12、第一泥巖；13、第二砂巖；14、第二泥巖；15、第三砂巖；16、第三泥巖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“徑向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

請(qǐng)參考圖4所示，本發(fā)明提供一種水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括支護(hù)圍巖的錨桿，所述圍巖按隧道開挖斷面的中心線將開挖斷面分為左半斷面和右半斷面，所述左半斷面和右半斷面上都設(shè)有用于支護(hù)水平軟硬互層圍巖的錨桿，所述錨桿垂直于隧道開挖輪廓線布置，且與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，將與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消，即在與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿，因而減少了在隧道施工中錨桿的支護(hù)數(shù)量，不僅可以獲得良好的加固效果，而且節(jié)省了錨桿支護(hù)數(shù)量，從而降低了支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本；同時(shí)本發(fā)明本著安全、合理、經(jīng)濟(jì)的原則，對(duì)原設(shè)計(jì)中錨桿支護(hù)方案提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且驗(yàn)證了其合理性。

為了更好地說明本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)是最佳支護(hù)方案，以下將通過錨桿與水平巖層所成夾角關(guān)系，對(duì)優(yōu)化方案設(shè)置角度梯度分別進(jìn)行數(shù)值模擬，并以發(fā)明人所做的水平軟硬互層V級(jí)圍巖隧道模擬為例進(jìn)行說明，具體包括以下步驟：

S21、優(yōu)化方案數(shù)值模擬：

根據(jù)錨桿與水平巖層所成夾角的關(guān)系(具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行確定)，對(duì)水平軟硬互層圍巖隧道初期支護(hù)優(yōu)化設(shè)置梯度，具體請(qǐng)參考圖5所示，即對(duì)圖5中，分別取消左右兩邊與水平巖層成15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°角以下的錨桿，觀察初期支護(hù)的受力變化影響，并與成化前所得的各個(gè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

S22、各優(yōu)化方案初期支護(hù)受力對(duì)比：

具體請(qǐng)參考圖6所示的初期支護(hù)受力變化對(duì)比示意圖，由該圖可以看出，當(dāng)把與巖層所成夾角小于40°的錨桿全部取消以后，襯砌及錨桿的最大軸力數(shù)值均發(fā)生了突變，因此，本發(fā)明確定了最佳優(yōu)化方案為：將與巖層所成夾角小于35°的錨桿全部取消，優(yōu)化后水平收斂(即圍巖位移場(chǎng))及錨桿軸力如圖7(a)和7(b)所示。

通過與圖3(a)和圖3(b)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后圍巖位移場(chǎng)變化量較優(yōu)化前略有增大，此時(shí)的水平收斂值為2.19-(-2.214)＝4.404mm，由此可見，取消的錨桿作用較小，對(duì)水平收斂結(jié)果影響較小；同時(shí)，錨桿最小受力值45.9KN，最大受力值97.8KN，相比于優(yōu)化前，各錨桿受力得到了更充分的發(fā)揮。

作為優(yōu)選實(shí)施例，針對(duì)工程實(shí)際情況，考慮一定的安全性系數(shù)，優(yōu)選與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿，即將與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消，該優(yōu)選方案水平收斂(即圍巖位移場(chǎng))及錨桿軸力請(qǐng)參考圖8(a)和8(b)所示。其中，拱頂下沉值DMX為10.916mm，水平收斂值為2.03-(-1.996)＝4.026mm，錨桿受拉力最大值為97.37KN。

S31、優(yōu)化方案與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析對(duì)比：

在隧道內(nèi)對(duì)原有方案施工段和優(yōu)化方案施工段分別選取了10個(gè)斷面進(jìn)行測(cè)試，所得實(shí)測(cè)值與模擬數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相差不大，具體請(qǐng)分別參見下表1和表2。

原有方案施工段位移模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表1：

優(yōu)化方案施工段位移模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表2：

至此，由前述分析說明可以得出，本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案為：與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿，優(yōu)選與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿，即優(yōu)選將與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消。

本發(fā)明還提供一種水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)方法，包括支護(hù)圍巖的錨桿，所述圍巖按隧道開挖斷面的中心線將開挖斷面分為左半斷面和右半斷面，所述左半斷面和右半斷面上都設(shè)有用于支護(hù)水平軟硬互層圍巖的錨桿，所述錨桿垂直于隧道開挖輪廓線布置，將與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消。

作為優(yōu)選實(shí)施例，優(yōu)選將與水平巖層所成夾角大于15°且小于30°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消。其中，本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)方法是最佳支護(hù)方案的數(shù)值模擬和對(duì)比，與前述支護(hù)結(jié)構(gòu)相同，在此不再贅述。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的水平軟硬互層圍巖隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，將與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線布置的錨桿取消，即在與水平巖層所成夾角小于35°的隧道開挖輪廓線未布置錨桿，因而減少了在隧道施工中錨桿的支護(hù)數(shù)量，不僅可以獲得良好的加固效果，而且節(jié)省了錨桿支護(hù)數(shù)量，從而降低了支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本；同時(shí)本發(fā)明本著安全、合理、經(jīng)濟(jì)的原則，對(duì)原設(shè)計(jì)中錨桿支護(hù)方案提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且驗(yàn)證了其合理性。

綜上所述，本發(fā)明主要針對(duì)現(xiàn)有采用例如上下臺(tái)階法施工的水平軟硬互層圍巖隧道的錨桿支護(hù)方法進(jìn)行研究，并采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，采取優(yōu)化措施得出的具體支護(hù)方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性驗(yàn)證。發(fā)明的目的在于錨桿的加固能力和圍巖的自承能力均能得到充分發(fā)揮，并充分實(shí)現(xiàn)錨桿與圍巖共同承載，不僅可獲得良好的加固效果，而且節(jié)省錨桿支護(hù)數(shù)量。同時(shí)，本發(fā)明提供的支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)方法，對(duì)類似于水平軟硬互層圍巖隧道具有借鑒意義，在應(yīng)用方面具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。